EDA技術(shù)在高頻電路中的應(yīng)用

唐衛(wèi)斌，黨楠

（商洛學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院，陜西商洛726000）

EDA技術(shù)在高頻電路中的應(yīng)用

唐衛(wèi)斌，黨楠

（商洛學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院，陜西商洛726000）

為了改變學(xué)生在高頻電路課程教學(xué)中的被動(dòng)學(xué)習(xí)狀態(tài)，達(dá)到培養(yǎng)應(yīng)用型人才的目標(biāo)，通過(guò)將EDA技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與高頻電路實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合，豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提高實(shí)驗(yàn)效率，使學(xué)生積極主動(dòng)地投入到實(shí)驗(yàn)實(shí)踐中。在實(shí)踐中，學(xué)生很好地完成了高頻電路課程實(shí)驗(yàn)的各項(xiàng)環(huán)節(jié)，提高了動(dòng)手實(shí)踐能力。表明EDA技術(shù)引入高頻電路教學(xué)能很好地提高教學(xué)質(zhì)量。

高頻電路；應(yīng)用型人才；仿真軟件；PCB設(shè)計(jì)軟件

“高頻電路”是電子信息與通信類專業(yè)一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課。課程主要內(nèi)容是通信系統(tǒng)中發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的有關(guān)高頻功能的電路。其顯著特點(diǎn)是概念多、電路形式多、工程性和實(shí)踐性很強(qiáng)，在整個(gè)專業(yè)體系中處于承上啟下的作用，高頻電路實(shí)踐教學(xué)是加深和鞏固理論知識(shí)，培養(yǎng)應(yīng)用型人才的重要環(huán)節(jié)[1]。其中主要存在的問(wèn)題是對(duì)儀器精度要求高，高頻電路容易受干擾，要想得到滿意的結(jié)果，調(diào)試過(guò)程需要細(xì)致耐心，觀測(cè)結(jié)果、記錄數(shù)據(jù)需認(rèn)真仔細(xì)[2]。且與學(xué)生以前所學(xué)過(guò)的其它實(shí)踐內(nèi)容相比較，難度大了很多，導(dǎo)致一部分學(xué)生信心不足，最后得不到清楚正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，教學(xué)效果不理想[3-4]。因此，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高其動(dòng)手實(shí)踐能力便成為高頻電路課的首要任務(wù)。

1 “高頻電路”課程體系結(jié)構(gòu)的構(gòu)建

為了適應(yīng)科技飛速發(fā)展和提高學(xué)生興趣，應(yīng)加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力和科技創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。故可以將課堂理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)課程與學(xué)生課外創(chuàng)新實(shí)踐作為高頻課程教學(xué)的三個(gè)階段，形成一個(gè)完整的課程結(jié)構(gòu)體系。根據(jù)每個(gè)階段的不同特點(diǎn)，有目的地將基本知識(shí)、實(shí)踐技能、方法、研制以及開(kāi)發(fā)系統(tǒng)電路的能力，分別在這三個(gè)階段中實(shí)施，培養(yǎng)學(xué)生“以探究為基礎(chǔ)”的學(xué)習(xí)，激發(fā)他們的求知欲望，培養(yǎng)其探索精神，并讓他們掌握基本理論和基本實(shí)驗(yàn)技能，通過(guò)課外創(chuàng)新實(shí)踐不斷學(xué)習(xí)提高，獲得終身學(xué)習(xí)和自主發(fā)展的能力。

其中，實(shí)驗(yàn)課程可以獨(dú)立設(shè)課，并采取開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行教學(xué)。課外科技創(chuàng)新實(shí)踐是提高和拓展，學(xué)生可以自主選題進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，也可以通過(guò)參加國(guó)內(nèi)相關(guān)電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽獲得提高和鍛煉。而在實(shí)驗(yàn)課程中加入相關(guān)EDA軟件的教學(xué)，則會(huì)大大提高學(xué)生進(jìn)行開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)和課外科技創(chuàng)新的興趣和成功率[5]。

2 仿真EDA軟件的輔助教學(xué)

由于直接硬件電路實(shí)驗(yàn)剛開(kāi)始較難出結(jié)果，學(xué)生做實(shí)驗(yàn)興趣往往不高，因而在做硬件電路實(shí)驗(yàn)之前加入EDA仿真軟件，讓學(xué)生先直觀地觀察電路相關(guān)節(jié)點(diǎn)的波形信號(hào)，提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣，然后再動(dòng)手操作實(shí)際硬件電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，提高動(dòng)手能力。

當(dāng)前常用電路仿真軟件有OrCAD/PSpice、NI/Multisim、AltiumDesigner/AdvancedSim等。其中，OrCAD/PSpice軟件傳承了Spice仿真內(nèi)核，具有仿真元件多，模型精確，仿真精度高、速度快、易于收斂、穩(wěn)定等特點(diǎn)受到廣大科研院所、高校和企業(yè)采用。

NI/Multisim軟件則由于添加了各種虛擬儀器，觀察結(jié)果更直觀，但由于模型不夠精確，有時(shí)候難于收斂；AltiumDesigner軟件PCB設(shè)計(jì)制作功能強(qiáng)大，仿真功能較弱。

本文以乘法器混頻實(shí)驗(yàn)為例介紹OrCAD/PSpice軟件在高頻實(shí)驗(yàn)中的仿真應(yīng)用。

2.1 仿真電路的設(shè)計(jì)繪制

首先使用OrCAD/Capture繪制如圖1仿真電路。該電路是利用三極管Q1～Q8及幾個(gè)簡(jiǎn)單電阻、二極管構(gòu)成模擬乘法器MC1496的內(nèi)部電路，再由其它基本元件構(gòu)成混頻器，從圖1中Vo位置獲得乘法器輸出信號(hào)，最終經(jīng)過(guò)LCπ型濾波器選出差頻分量，即從Vout位置獲得中頻信號(hào)。在整個(gè)設(shè)計(jì)繪圖過(guò)程中，不僅使學(xué)生熟悉了軟件的使用，而且讓學(xué)生鞏固了芯片MC1496的工作原理以及混頻電路的構(gòu)成[6]。

通過(guò)對(duì)π型濾波器計(jì)算和仿真調(diào)試，最終獲得元件參數(shù)如圖1所示，帶通濾波器中心頻率為1.5 MHz。

2.2 啟動(dòng)仿真，完成實(shí)驗(yàn)

在信號(hào)源V1位置提供6 MHz，100 mV本振信號(hào)，在V2位置提供4.5 MHz，15 mV載波信號(hào)。啟動(dòng)仿真，觀察Vout中頻輸出，得到電壓波形如圖2所示，OrCAD/PSpice軟件可以將時(shí)域波形進(jìn)行離散傅立葉分析得到頻譜圖，這是其它軟件所沒(méi)有的。

圖1 乘法器混頻實(shí)驗(yàn)仿真電路

圖2 中頻輸出波形1

圖2的頻譜如圖3所示。可見(jiàn)獲得的是頻率為1.5 MHz的正弦信號(hào)。說(shuō)明電路的混頻濾波功能正常。在信號(hào)源V1位置提供6 MHz，100 mV本振信號(hào)，在V2位置提供7.5 MHz，15 mV載波信號(hào)。啟動(dòng)仿真，觀察Vout中頻輸出，得到電壓波形仍然如圖2所示，頻譜圖仍然如圖3所示。說(shuō)明7.5 MHz正弦信號(hào)為4.5 MHz的鏡像干擾信號(hào)，并滿足：鏡像頻率-載波頻率=2中頻頻率。

更改信號(hào)源V2為調(diào)幅度為0.9，1 kHz調(diào)制4.5 MHz的調(diào)幅波，仿真觀察到中頻輸出波形如圖4所示。其頻譜圖仍然如圖3所示?？梢?jiàn)混頻輸出就是1.5 MHz，調(diào)幅度為0.9的調(diào)幅波。

圖3 中頻輸出波形的頻譜

圖4 中頻輸出波形2

如圖5所示為模擬乘法器的輸出波形。總體上看，基本上是調(diào)幅波。圖6是其頻譜，總圖上看，除了較大的直流及低頻成份，還存在其他諧波成份，如8.5、1.5、12 MHz，最大譜線出現(xiàn)在10.5MHz。多種諧波出現(xiàn)是非理想乘法器必然的結(jié)果。

圖5 模擬乘法器輸出波形

學(xué)生學(xué)會(huì)仿真以后，可以非常方便地通過(guò)調(diào)整電路中相關(guān)元件的參數(shù)，來(lái)改變電路的功能特性。如可以通過(guò)調(diào)整LCπ型濾波器電感電容參數(shù)而改變?cè)摶祛l器的中頻頻率到10 MHz以上。這是在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中難以達(dá)到的[7]。

圖6 乘法器輸出波形頻譜

到此，基本混頻器仿真實(shí)驗(yàn)就結(jié)束了。然后再引導(dǎo)學(xué)生在具體的電路上做實(shí)物實(shí)驗(yàn)，由于有了仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，鞏固了理論知識(shí)，學(xué)生就可以較快地調(diào)試出實(shí)物實(shí)驗(yàn)，對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行了很好的加強(qiáng)[8]。

3 PCB設(shè)計(jì)軟件的擴(kuò)展教學(xué)

常用PCB設(shè)計(jì)軟件有AltiumDesigner（簡(jiǎn)稱AD）軟件、OrCAD/PCB、Allegro/PCB、NI/Multiboard等軟件。其中AD軟件的PCB設(shè)計(jì)制作功能比較強(qiáng)大，且在中國(guó)大陸廣泛被應(yīng)用。因此可以對(duì)學(xué)生教授利用該軟件繪制如上電路的PCB版圖。

首先利用AD軟件繪制電原理圖，由于圖1所示的仿真圖只是核心電路，所以此處要添加輸入、輸出端口：本振輸入、載波輸入和混頻輸出、乘法器輸出測(cè)試端口；還要添加電源端口，該電路采用+/-12 V供電。另外為了用電安全還要添加電源開(kāi)關(guān)S1，以及電源指示發(fā)光二極管D1和D2。

由于AD軟件采用的是集成庫(kù)，所有一般不用再專門制定元件封裝(footprint)。編輯完原理圖，即可設(shè)置PCB規(guī)則等相關(guān)參數(shù)。然后生成PCB文件，導(dǎo)入網(wǎng)表，對(duì)端口元件（包括電源，輸入輸出端口）進(jìn)行合理布局，再放置其它元件到合適位置，利用AD軟件完善的布線功能，即可生成電路的PCB版圖。最后在版圖適當(dāng)位置放置相關(guān)文字說(shuō)明以便識(shí)別各端口及重要信息。最終獲得的版圖如圖7所示[9]。

然后就可以指導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室生成該實(shí)驗(yàn)電路板，或直接送至廠家生產(chǎn)。最后可以指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行組裝該實(shí)驗(yàn)電路模塊。如果制作合格就可以應(yīng)用到實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程中。

圖7 集成乘法器混頻實(shí)驗(yàn)PCB版圖

4 結(jié)語(yǔ)

該高頻課程教學(xué)方案具有如下特點(diǎn)：

1）能更好地完成“鞏固加深課堂理論學(xué)習(xí)”的根本目的

本方案的內(nèi)容覆蓋了高頻電路課程教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)。不僅能夠通過(guò)仿真驗(yàn)證各基本電路功能的目的，還能使學(xué)生通過(guò)仿真理解掌握各基本電路在整機(jī)中的作用、相互之間的聯(lián)系，從而使學(xué)生學(xué)得更踏實(shí)，理解的更深遠(yuǎn)。特別是在仿真前對(duì)實(shí)驗(yàn)線路進(jìn)行計(jì)算和設(shè)計(jì)，然后通過(guò)仿真驗(yàn)證工程計(jì)算的正確性以及可行性，有助于理論與實(shí)踐的緊密結(jié)合[10]。

2）有利于對(duì)學(xué)生實(shí)際應(yīng)用、動(dòng)手能力的培養(yǎng)

學(xué)生可以自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)線路或者實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)仿真驗(yàn)證及調(diào)試后利用AD軟件設(shè)計(jì)制作PCB版圖，最終完成整個(gè)電路制作，并進(jìn)行軟硬件綜合調(diào)試。將理論知識(shí)最終應(yīng)用到實(shí)際生活中。這種綜合訓(xùn)練是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ綗o(wú)法進(jìn)行的。極大地增加了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，以及科技創(chuàng)新的興趣。這是應(yīng)用型人才培養(yǎng)的重要一環(huán)。也是其它課程理論可以借鑒的方法。

本方案應(yīng)用于商洛學(xué)院電子信息工程和電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)150余名學(xué)生的高頻課程教學(xué)，實(shí)踐表明大部分學(xué)生都能以極大的熱情投入到教學(xué)實(shí)踐中，都能夠獨(dú)立完成單元電路的仿真設(shè)計(jì)及制作，大部分作品都能夠正常工作。表明EDA技術(shù)引入高頻電路教學(xué)能很好地提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力及教學(xué)質(zhì)量。

[1]宮芳,高敬鵬.“高頻電子線路”研究性教學(xué)的探索與實(shí)踐[J].中國(guó)電力教育,2010(25)：106-107.

[2]姜忠蓮,馬幼軍,張宏斌.高頻電路綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2001,18(1)：61-63.

[3]唐衛(wèi)斌.基于PSpice的升壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)與仿真[J].電子科技,2012,25(1)：27-30.

[4]張奕雄.基于OrCAD電路設(shè)計(jì)軟件的高頻電子線路仿真分析[J].電子設(shè)計(jì)工程,2011,19(11)：142-144.

[5]蔣燕妮,吳蘇.基于EDA技術(shù)的數(shù)字電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)探究[J].電子技術(shù),2012(7)：47-50.

[6]唐衛(wèi)斌,劉寶盈.Multisim在高頻電路課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].商洛學(xué)院學(xué)報(bào),2011,25(4)：18-22.

[7]孫俊卿,羅云林,黃建宇.基于Multisim的高頻電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2010,7(27)：80-83.

[8]高遠(yuǎn),姚澄,朱昌平.高頻電子線路仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2009,28(2)：85-88.

[9]殷明,朱昌平,朱陳松,等.高頻電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)與學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2010,27(4)：108-110.

[10]鄧洪波,麥旭均.理論與實(shí)踐緊密結(jié)合深化高頻電路教學(xué)改革[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué),2013,16(5)：66-68.

（責(zé)任編輯：李堆淑）

The Application of EDA Technology in the High Frequency Electronic Circuit

TANG Wei-bin,DANG Nan
(College of Electronic Information and Electrical Engineering,Shangluo University,Shangluo726000, Shaanxi)

In order to change the passive learning status of students in the teaching of high frequency circuit course,meet the target of cultivating applied talents,through the organic combination of the advantage of EDA technology and high frequency circuit experiment teaching,enriching experiment contents,the efficiency of the experiment is improved,and students were attracted actively in the experiment and practice.In practice，each link of experiments was accomplished very well by students with great interest,and their practical ability was greatly improved.So the introducing of the EDA technology into the high frequency circuit teaching can improve teaching quality greatly.

high frequency electronic circuit,applied talents,simulation software,PCB design software

G712

A

1674-0033（2015）02-0055-04

10.13440/j.slxy.1674-0033.2015.02.014

2015-01-21

商洛學(xué)院教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（13JYJX137）

唐衛(wèi)斌，男，陜西商州人，碩士，講師